中科院金属所研究团队：夹杂物周围区域的显微组织定制，使轴承钢更“长寿”

2026-04-29 15:18:38 作者：MRL 来源：MRL 分享至：

高碳铬轴承钢是高端轴承的核心材料，其疲劳性能直接决定轴承的服役稳定性与寿命。长期以来，非金属夹杂物因其强烈的应力集中效应，被视为疲劳失效的“罪魁祸首”。传统思路致力于消除或优化夹杂物，从而提高轴承钢的疲劳寿命，取得了诸多创新成果。在此基础之上，中国科学院金属研究所李殿中院士、王培研究员团队另辟蹊径：通过调控夹杂物周围应力集中区的马氏体-贝氏体复相（马贝复相，MB）组织特征，成功将轴承钢的L₁₀疲劳寿命相比于马氏体组织（M）提升了11倍。

在该工作中，作者通过一种多步热处理工艺，在马氏体基体中引入细小、弥散的贝氏体条束，构造了细化且贝氏体条束弥散分布的马贝复相组织（图1a，b）。同时，利用热处理过程中夹杂物与基体的热膨胀系数差异，在夹杂物周围形成局部应力场，催化贝氏体在夹杂物附近优先形成。结果显示，夹杂物周围的贝氏体数密度约为远离夹杂物区域的两倍，从而在夹杂物周围构筑了由高密度贝氏体条束组成的“韧性缓冲层”（图1c，d）。超声疲劳测试结果表明，与传统全马氏体组织（M）相比，上述马贝复相组织调控将轴承钢的L₁₀疲劳寿命提升了11倍（图1e）。值得注意的是，在两类样品的夹杂物特征几乎相同的前提下（图1f），马贝复相样品疲劳断口处的细晶区（FGA）尺寸比马氏体样品扩大了约30%（图1g），意味着疲劳裂纹的萌生与早期扩展被有效延缓。

图1. (a, b) 马贝复相组织特征，(c) 夹杂物周围的高密度贝氏体层，(d) 疲劳断口特征示意图，(e) M与MB样品疲劳寿命的威布尔分布拟合结果，(f) M与MB样品的夹杂物尺寸统计，(g) M与MB样品的FGA尺寸统计。

研究团队进一步通过多尺度表征与晶体塑性模拟揭示了疲劳寿命提升的微观机制。TKD表征结果显示，在疲劳加载前，马贝复相样品中的贝氏体初始GND密度显著低于相邻的马氏体（图2a，b），而经过循环疲劳加载后，疲劳断口附近二者的GND密度则趋于相同（图2c，d）。为了解释这一现象，研究构建了1:1的晶体塑性模型（图2e）。模拟结果表明，在外加850MPa载荷的循环作用下，马贝复相组织中贝氏体的累积塑性滑移远超马氏体（图2f，g），这表明韧性更好的贝氏体主动承担了更多的塑性变形。这一主动“应变配分”行为也得到了高分辨电镜表征结果的证实：马贝复相组织中，靠近贝氏体的马氏体晶格应变明显小于马氏体样品中的晶格应变。说明夹杂物周围由高密度贝氏体组成的“韧性缓冲层”通过主动吸纳更多应变，保护了韧性较差、裂纹敏感性更高的马氏体，从而延缓了疲劳裂纹的萌生与早期扩展。

图2. (a, b)马贝复相样品初始组织，(c, d) 马贝复相样品断口组织，(e) 1:1晶体塑性模型与循环加载应力场模拟结果，(f, g) MB样品累积塑性滑移模拟结果。

图3. (a) 马氏体样品明场像，(b, c) 马氏体样品b, c区域的高分辨表征结果，(d) 马贝复相样品明场像，(e, f) 马氏体样品e, f区域的高分辨表征结果。

这项工作的意义在于，它提供了一条提升高强钢疲劳性能的新路径：在优化调控夹杂物之外，主动调控夹杂物周围基体的局部变形能力。该方法不仅成本更有优势，而且具有良好的普适性，未来有望推广到其他承受高循环载荷的关键构件中，为高端装备的寿命设计提供新思路。

相关研究成果以题为“Order-of-magnitude fatigue life extension in bearing steels via microstructure tailoring around inclusions”的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文的共同第一作者为博士生徐彬迅和特别研究助理刘腾远，李殿中院士和王培研究员为共同通讯作者，中国科学院金属研究所为通讯单位。

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